【激光表面改性技术】天津职业技术师范大学王铁钢教授团队：球墨铸铁表面激光熔覆层的组织及耐腐蚀性能研究
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2024-10-28 19:48
重庆
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随着我国核电发展规模的不断扩大，解决大量乏燃料的中间储存及后处理问题已经迫在眉睫。球墨铸铁材料具有辐射屏蔽效果好、结构坚固、成本低廉且减震性好等优点，是作为贮运容器筒体的优良材料，但其在硼酸环境下的耐腐蚀性较差，限制了其在核电领域的应用。通过先进的表面改性技术在球墨铸铁表面制备耐腐蚀防护层可以提高其服役寿命，实现对乏燃料安全可靠的贮运。
天津职业技术师范大学王铁钢教授团队采用激光熔覆技术分别在球墨铸铁表面制备2种不同的Ni基及Fe基合金熔覆层，对比研究其组织成分、力学性能及耐腐蚀性能，确定综合性能最优的熔覆材料，为乏燃料球墨铸铁贮运罐的表面防护提供理论参考和技术支撑。熔覆层中部在1000倍下的EDS面扫描分布结果如图3所示。合金粉末的主要元素均匀地分布在熔覆层中，沉积在Fe基及Ni基合金内部，因此容易形成大量的置换固溶体。在晶胞及晶间位置可以明显观察到部分元素分布存在差异性，证明介于固溶体对溶质有限的固溶度，凝固及形核过程中熔池内部共晶反应加剧，导致主要合金元素在晶界位置出现了明显的偏析现象。
熔覆层中部在1000倍下的EDS面扫描分布结果如图3所示。合金粉末的主要元素均匀地分布在熔覆层中，沉积在Fe基及Ni基合金内部，因此容易形成大量的置换固溶体。在晶胞及晶间位置可以明显观察到部分元素分布存在差异性，证明介于固溶体对溶质有限的固溶度，凝固及形核过程中熔池内部共晶反应加剧，导致主要合金元素在晶界位置出现了明显的偏析现象。![]()
图3 熔覆区中部EDS面扫描结果
4种熔覆层在横截面内的显微硬度纵向分布情况如图5所示。沉积态316L、Ni625、410L及NJ30熔覆层的平均维氏硬度分别为303.8HV0.5、336.3HV0.5、410.7HV0.5和419.9HV0.5，达到球墨铸铁基体的1.74、1.92、2.35及2.4倍。在界面结合处，激光热输入的淬火作用容易对基体产生硬化效果，使热影响区的硬度显著提升。其中，在NJ30及410L合金熔覆层中，基体的淬硬效果更为明显。其热影响区深度分别为400、200 μm，平均显微硬度达到262.2HV0.5和298.8HV0.5，较球墨铸铁基体提升50%和70.9%。![]()
阻抗（EIS）测试中的Nyquist曲线如图8a所示。曲线中的Zre和Zim分别代表极化测试等效电路中阻抗的实部和虚部，Nyquist曲线反映了频率从100 kHz~0.01 Hz变化时熔覆层的容抗特性。在图8a中，4种熔覆层均表现出明显的容抗弧特征。阻抗图谱上任一点至原点的距离代表阻抗的模值，连线与x轴的夹角代表阻抗角。容抗弧半径越大，表明熔覆层表面的耐腐蚀性越强。图8b为阻抗测试中的Bode曲线，用以定量描述熔覆层的阻抗特性。![]()
1）4种耐腐蚀激光熔覆层从底部至顶部均形成平面晶/胞状晶-柱状树枝晶-等轴晶的组织形态，沉积态Ni625合金及316L不锈钢中部尺寸较小的枝晶，使合金表面不易出现腐蚀通道，有利于提高材料的耐腐蚀性能。2）4种熔覆层在固溶强化及二次析出强化的作用下显微硬度显著高于球墨铸铁基体。由于形成大量金属间化合物致使NJ30合金熔覆层的平均硬度达到最高，约为419.9HV0.5，而316L不锈钢熔覆层中由于存在奥氏体相，韧性好，加之熔覆层内硬质相少，故硬度降至最低，约为303.8HV0.5。3）Cr元素的含量直接影响熔覆层的耐腐蚀性能，枝晶内部Cr含量最高的316L不锈钢熔覆层，可形成致密钝化膜，故自腐蚀电位最高，自腐蚀电流密度最低。NJ30合金熔覆层因缺少Cr元素，表面无法形成稳定的钝化膜，故自腐蚀电位最低，自腐蚀电流密度最高。阻抗与极化测试的结果也保持了较高的一致性。4）熔覆层的腐蚀形貌显示沉积态316L不锈钢及Ni625合金表面没有出现明显的腐蚀产物，而410L不锈钢及NJ30合金表面分别发生晶间腐蚀和均匀的全面腐蚀，证明在该测试环境下，316L不锈钢及Ni625合金熔覆层对球墨铸铁基体的防护效果更好。该文章发表在《表面技术》第53卷第17期。
引文格式：党钰钦, 李冬杰, 刘艳梅, 等. 球墨铸铁表面激光熔覆层的组织及耐腐蚀性能研究[J]. 表面技术, 2024, 53(17): 126-134.
DANG Yuqin, LI
Dongjie, LIU Yanmei, et al. Microstructure and Corrosion Resistance of the
Laser Cladding Layer on Nodular Cast IronSurface[J]. Surface Technology, 2024,
53(17): 126-134.
DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.011
